JP7115375B2 - 測距装置および測距方法 - Google Patents

Description

本発明は、測距装置および測距方法に関し、特に、飛行時間方式の測距技術に関する。

従来から、物体との距離を測定する技術としてＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ：飛行時間）方式が知られている。例えば、非特許文献１は、ＴＯＦ方式の測距処理として、超音波を送信し、その超音波が物体に反射して戻るまでの飛行時間を測定し、音速を乗じることで物体との距離を導出する技術を開示している。

非特許文献１に記載のＴＯＦ方式の測距技術では、時間を測定する基準となる参照信号と、物体で反射して返ってきた超音波を電気信号に変換した検出信号との２つの信号の時間差を、相互相関関数を用いて求めている。そのため、相互相関関数のピークの時間が２つの信号の時間差となる。

参照信号および検出信号の２つの信号の時間差をΔｔと表すと、測定対象の物体までの距離測定値ＬはｖΔｔ／２となる。ここで、ｖは音速である。非特許文献１では超音波を使用しているが、これを光に置き換えても同様である。この場合、距離測定値ＬはｃΔｔ／２となる。ここで、ｃは光速である。

非特許文献２には、光偏向器で光を１次元スキャンしながら、ＴＯＦ方式で測距する技術が開示されている。この場合、光は時間的に光偏向器から出射される角度が変わるので、ある角度における測距を行うためには、その角度に相当する時刻を中心として、基準とする参照信号と、物体を反射して戻ってきた反射光の検出信号との２つの信号のそれぞれから短時間の時間幅の信号を取り出す必要がある。測距は、それらの取り出された２つの信号の相互相関から、その角度すなわち時刻における参照信号と検出信号との時間差を求め、その時間差から物体までの距離を求めることになる。

このように、参照信号や検出信号のような時系列信号から短時間の時間幅の信号を取り出すときには、窓関数を使用することが考えられる。従来の技術では、信号を取り出す時間幅の中心をピークとして設計された時間窓を使用するため、窓関数を信号にかける前と後の参照信号および検出信号それぞれのピーク位置が異なる場合があった。

図７は従来の窓関数を使用した例を示したもので、実線は参照信号ｒおよび検出信号ｓ、破線は時間幅、一点鎖線は窓関数ｗ、点線は窓関数をかけた後の参照信号ｒｗおよび検出信号ｓｗを表す。窓関数をかける前後で参照信号ｒ、ｒｗのピークと検出信号ｓ、ｓｗのピーク時刻がずれ、その結果、両ピーク間の時間差Δｔ、Δｔｗが異なっている。その結果、参照信号ｒと検出信号ｓとの時間差Δｔが正確に測定できず、正確な測距が困難となってしまう問題があった。

平田慎之介、黒澤実、片桐崇、１ビット信号処理による相互相関処理を用いた超音波距離計測実験、電子情報通信学会、技術報告ＵＳ２００７－１１７、ｐｐ．４９－５４、２００８年２月 小平徹、八木生剛、藤浦和夫、森治郎、渡邊武士、「波長掃引技術を応用した光掃引方式位置計測システム」、光技術コンタクト、５５巻、８号、ｐｐ．１８－２７、２０１７年０８月２０日発行

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、窓関数を用いた場合でも、物体までの距離を高精度に測定することができる測距装置および測距方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係る測距装置は、光源から出力された周期的に強度変調された光を光電変換して得られる第１信号に含まれるピークである第１ピークを検出し、前記第１ピークごとの時刻を取得する第１取得部と、前記光源から出力された前記光が測定対象の物体で反射した反射光を光電変換して得られる第２信号から、前記第１ピークの前記時刻を中心とした前記光源の光の強度変調の１周期の時間範囲に存在するピークである第２ピークを取得する第２取得部と、ピークを有する第１窓関数の前記ピークを前記第１ピークと一致させた状態で、前記第１窓関数で前記第１信号を処理して得られる第３信号と、ピークを有する第２窓関数の前記ピークを前記第２ピークと一致させた状態で、第２窓関数で前記第２信号を処理して得られる第４信号との相互相関に基づいて、前記物体までの距離を算出する距離算出部とを備える。

また、本発明に係る測距装置において、前記光源の光を２つに分岐する光スプリッタと、前記光スプリッタの一方から出力された前記光を検出する第１フォトディテクタと、前記光スプリッタの他方から出力された前記光を偏向して前記物体に向けて出射する光偏向器と、前記光偏向器から出射された出射光が前記物体で反射した反射光を検出する第２フォトディテクタとを有する光学系をさらに備え、前記第１フォトディテクタは、検出した前記光を光電変換した前記第１信号を出力し、前記第２フォトディテクタは、検出した前記反射光を光電変換した前記第２信号を出力してもよい。

また、本発明に係る測距装置において、前記距離算出部によって算出された前記第１ピークの前記時刻に対応する時間情報を、前記光偏向器による偏向角度の情報に変換し、偏向角度と距離とが対応付けられた偏向角－距離信号を出力する時間－角度変換部をさらに備えていてもよい。

また、本発明に係る測距装置において、前記距離算出部が算出した前記第１信号の前記第１ピークごとの前記時刻に対応する前記物体までの距離を補間する補間部をさらに備えていてもよい。

また、本発明に係る測距装置において、前記距離算出部は、前記相互相関を用いて前記第１ピークの前記時刻での前記第１信号に対する前記第２信号の時間の遅れを示す時間差を算出する時間差算出部を備え、前記距離算出部は、算出された前記時間差に基づいて、前記第１信号の前記第１ピークごとの前記時刻に対応する前記物体までの距離を算出してもよい。

また、本発明に係る測距装置において、前記第１窓関数および前記第２窓関数は同一の形状であってもよい。

また、本発明に係る測距装置において、第１窓関数および前記第２窓関数は、ガウス窓、ハン窓、ハミング窓、ブラックマン窓、および一般化ハミング窓のいずれかであってもよい。

上述した課題を解決するために、本発明に係る測距方法は、光源から出力された周期的に強度変調された光を光電変換して得られる第１信号に含まれるピークである第１ピークを検出し、前記第１ピークごとの時刻を取得する第１ステップと、前記光源から出力された前記光が測定対象の物体で反射した反射光を光電変換して得られる第２信号から、前記第１ピークの前記時刻を中心とした前記光源の光の強度変調の１周期の時間範囲に存在するピークである第２ピークを取得する第２ステップと、ピークを有する第１窓関数の前記ピークを前記第１ピークと一致させた状態で、前記第１窓関数で前記第１信号を処理して得られる第３信号と、ピークを有する第２窓関数の前記ピークを前記第２ピークと一致させた状態で、第２窓関数で前記第２信号を処理して得られる第４信号との相互相関に基づいて、前記物体までの距離を算出する第３ステップとを備える。

本発明によれば、周期的に強度変調された光源からの光が光電変換されて得られる第１信号に含まれる第１ピークとピークを一致させた第１窓関数で第１信号を処理して得られる第３信号と、測定対象の物体で反射した反射光が光電変換されて得られる第２信号の第２ピークとピークを一致させた第２窓関数で第２信号を処理して得られる第４信号との相互相関を用いる。そのため、窓関数を用いた場合でも、物体までの距離を高精度に測定することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る測距装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本実施の形態に係る測距部の構成を示すブロック図である。 図３は、本実施の形態に係る測距処理を説明するための図である。 図４は、本実施の形態に係る信号処理装置を実現するコンピュータ構成の一例を示すブロック図である。 図５は、本実施の形態に係る測距方法を説明するフローチャートである。 図６は、本実施の形態に係る測距処理を説明するフローチャートである。 図７は、従来例に係る測距処理を説明する図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図１から図６を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る測距装置１の構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る測距装置１は、図１に示すように、ＴＯＦ方式により、測距装置１から物体１０４までの距離を測定する。より詳細には、測距装置１は、カプラ１０１から光が出射されてから、測距対象の物体１０４の表面を反射した反射光がフォトディテクタＰＤｓ１０６で受光されるまでの飛行時間と、カプラ１０１から出射されてからフォトディテクタＰＤｒ１０５で受光されるまでの飛行時間の差を測定し、測距装置１から物体１０４までの距離を求める。

図１に示すように、測距装置１は、光源１００、カプラ１０１、サーキュレータ１０２、光偏向器１０３、フォトディテクタ（以下、「ＰＤｒ」という。）１０５、フォトディテクタ（以下、「ＰＤｓ」という。）１０６、アナログ－ディジタル変換器（ＡＤＣ）１０７、および信号処理装置１０８を備える。カプラ１０１は光を分岐（スプリット）する光分岐器（光スプリッタ）として使用するものである。

光源１００、カプラ１０１、サーキュレータ１０２、光偏向器１０３、ＰＤｒ（第１フォトディテクタ）１０５、およびＰＤｓ（第２フォトディテクタ）１０６は、測距装置１が備える光学系を構成する。

光源１００は、周期的に強度変調された光を物体１０４に向けて出射する。具体的には、光源１００は、正弦波やパルス信号などの周期的に強度変調された光を発生させる。光源１００から出射される光は後述の光偏向器１０３に入射される。

カプラ１０１は、光源１００から出射された光を参照光路と物体光路とに分ける。カプラ１０１によって分けられた光の一方は、参照光路上のＰＤｒ１０５に入力され、他方の光は物体光路上のサーキュレータ１０２および光偏向器１０３を介して物体１０４に照射される。

ＰＤｒ１０５は、光源１００から出力された光を検出し、アナログ信号である第１参照信号（第１信号）ｒ１に変換する。得られた第１参照信号ｒ１は、ＡＤＣ１０７のチャネル１（ＣＨ１）に入力される。

サーキュレータ１０２は、光路上で互いに反対方向に進む光を分離する。より詳細には、サーキュレータ１０２は、カプラ１０１から出射され物体１０４に照射される光と、物体１０４を反射して戻ってきた光とを分離する。

光偏向器１０３は、光源１００から入射される光の光軸を偏向して出射する。より詳細には、光偏向器１０３は、光源１００から出射され、カプラ１０１およびサーキュレータ１０２を介して入射される光を偏向して出射する。以下、光偏向器１０３が入射される光の光軸を変化させて出射することを「光を偏向する」ということとする。

光偏向器１０３は、予め設定された偏向角度の範囲で光源１００からの光を偏向する。光偏向器１０３としては、例えば、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、ＫＴＮ（タンタル酸ニオブ酸カリウム）結晶を用いた偏向器を用いることができる。光偏向器１０３による偏向角度は、ミラーの設計や光偏向器１０３が備える図示されない駆動装置による制御により所望の偏向角度の範囲となるように設定することができる。

光偏向器１０３は、光源１００からの光を偏向して出射することによって、物体１０４およびその周辺の空間をスキャン（空間的に掃引、つまり、偏向）して、測距対象の物体１０４の表面で反射させる。光偏向器１０３が、光源１００からの光を設定された偏向角度の範囲内で出射した光でスキャンする毎に、物体１０４からの反射光が後述のＰＤｓ１０６で検出される。

ＰＤｓ１０６は、物体１０４からの反射光をサーキュレータ１０２を介して検出し、アナログ信号の第１検出信号（第２信号）ｓ１に変換する。得られた第１検出信号ｓ１は、ＡＤＣ１０７のチャネル２（ＣＨ２）に入力される。

ＡＤＣ１０７は、３つのチャネルを備え、アナログの入力信号をディジタル信号に変換して出力する。ＡＤＣ１０７がチャネルごとに変換して出力するディジタル信号は、信号処理装置１０８に入力される。チャネルＣＨ１に入力されたアナログの第１参照信号ｒ１は、ディジタルの第２参照信号（第１信号）ｒ２に変換され、後述の測距部１０９に入力される。チャネルＣＨ２に入力された第１検出信号ｓ１についても、ディジタルの第２検出信号（第２信号）ｓ２に変換され、測距部１０９に入力される。また、チャネルＣＨ３には、光偏向器１０３の偏向角度を示すアナログ信号である第１角度信号θ１が入力され、ディジタルの第２角度信号θ２に変換されて、後述の時間－角度変換部１１０に入力される。

図１に示すように、信号処理装置１０８は、ＡＤＣ１０７からのディジタル信号を入力信号として、偏向角ごとの測距装置１から物体１０４までの距離を算出する。具体的には、カプラ１０１を起点とした物体１０４までの距離を求めることができる。カプラ１０１を起点とした物体１０４までの距離とは、より詳細には、カプラ１０１－サーキュレータ１０２－光偏向器１０３－物体１０４－光偏向器１０３－サーキュレータ１０２－ＰＤｓ１０６の光路長から、カプラ１０１－ＰＤｒ１０５の光路長を引いた距離の１／２をいう。

信号処理装置１０８は、測距部１０９、時間－角度変換部１１０、および補間部１１１を備える。

測距部１０９は、ＡＤＣ１０７から出力される第２参照信号ｒ２および第２検出信号ｓ２に基づいて、時間に対する距離データを出力する。測距部１０９は、第２参照信号ｒ２のピーク（第１ピーク）の時刻を取得すると共に、その時刻における測距装置１から物体１０４までの距離を測距する。光偏向器１０３によって、１次元的に光が偏向する角度の範囲で測距する場合には、より細かい角度ごとに測距することが考えられる。本実施の形態では、第２参照信号ｒ２のピークごとに測距を行うこととし、ピーク間の距離が必要な場合には、後述の補間部１１１にて、ピーク位置の距離を使って補間して測距装置１から物体１０４までのより詳細な距離を求める。

測距部１０９は、図２に示すように、第１取得部１９１、第２取得部１９２、時間差算出部１９３、および距離算出部１９４を備える。

第１取得部１９１は、第２参照信号ｒ２に含まれる全てのピークを検出して、それらのピークに対応する時刻を取得する。前述したように、光源１００から出力される光は、周期的に強度変調された光である。光源１００における光の強度変調の周期をＴ_source、周波数をｆ_source（＝１／Ｔ_source）とする。

例えば、図３の上段に示すように、第１取得部１９１は、第２参照信号ｒ２に含まれる全てのピークｐ_r,i（ｉ＝０，１，・・・）を検出する。図３は、第２参照信号ｒ２および第２検出信号ｓ２それぞれの時系列信号であり、横軸は時間、縦軸は信号の強度を示している。

第２取得部１９２は、第２参照信号ｒ２のピークの時刻を中心にして、光源１００の強度変調の１周期の範囲に存在する第２検出信号ｓ２のピーク（第２ピーク）を取得する。例えば、第２取得部１９２は、図３に示すように、第２参照信号ｒ２のｉ番目のピークｐ_r,iの時刻ｔ_r,iを中心にして、±Ｔ_source／２の範囲で第２検出信号ｓ２のピークｐ_s,iを検出する。取得されたピークｐ_s,iの時刻をｔ_s,iとする。

時間差算出部１９３は、第２参照信号ｒ２のピーク時刻ｔ_r,iにおける第２参照信号ｒ２に対する第２検出信号ｓ２の時間の遅れを算出する。つまり、図３に示すように、第２参照信号ｒ２のピークｐ_r,iの時刻ｔ_r,iを基準とした第２検出信号ｓ２のピークｐ_s,iの時刻ｔ_s,iとの時間差Δｔ_i（＝ｔ_s,i－ｔ_r,i）を算出する。

より詳細には、時間差算出部１９３は、上記時間差Δｔ_iの算出において、第２参照信号ｒ２と第２検出信号ｓ２とを窓関数ｗ（ｔ）で処理して、それぞれの信号の一部を切り取る。すなわち、所望とされる偏向角における物体１０４までの測距を行うにあたり、その所望とされる偏向角度に相当する時刻を中心にして第２参照信号ｒ２と第２検出信号ｓ２とを窓関数ｗ（ｔ）を用いてそれぞれの信号の一部を切り取る。

時間差算出部１９３は、切り取った第２参照信号ｒ２と第２検出信号ｓ２との時間的な関係性を表す相互相関関数を計算して、相互相関関数の最大値となる時間をΔｔ_iとする。相互相関関数の最大値は、通常ピークとなる。

相互相関関数Ｒ（ｔ）は、フーリエ変換を用いて次式（１）により求めることができる。
Ｒ（ｔ）＝Ｆ^-1［Ｓ_Sw（ν）Ｓ_Rw ^*（ν）］ ・・・（１）
ただし、Ｆ^-1［．］は逆フーリエ変換、Ｓ_Sw（．）は切り取った第２検出信号ｓ２のフーリエ変換結果、Ｓ_Rw（．）は切り取った第２参照信号ｒ２のフーリエ変換結果、νは信号の周波数、＊は複素共役を示す。

時間差算出部１９３は、上式（１）を用いる際に第２参照信号ｒ２と第２検出信号ｓ２のそれぞれから信号の一部を切り取るにあたり、単一のピークを有する窓関数をそれぞれの信号のピークと一致させて窓関数による処理を行う。例えば、図３は、第２参照信号ｒ２のｉ番目のピークｐ_r,iのある時刻ｔ_r,iにおける距離を測距する例を示している。

図３の実線は、第２参照信号ｒ２、および第２検出信号ｓ２をそれぞれ示している。横軸が示す時間軸に垂直な破線で示される範囲は、第２検出信号ｓ２のピークをサーチする時間範囲を示している。また、一点鎖線は窓関数ｗｒ（ｔ）、ｗｓ（ｔ）、点線は、窓関数ｗｒ（ｔ）（第１窓関数）をかけた後の第２参照信号ｒｗ２（第３信号）、窓関数ｗｓ（ｔ）（第２窓関数）をかけた後の第２検出信号ｓｗ２（第４信号）をそれぞれ示している。

第２参照信号ｒ２に関しては、図３の上段に示すように、単一のピークを有する窓関数ｗｒ（ｔ）をｉ番目のピークｐ_r,iと一致させて窓関数ｗｒ（ｔ）を第２参照信号ｒ２にかけて、ピークｐ_r,iの時刻ｔ_r,iの近傍の信号を切り取る。また、第２検出信号ｓ２に関しては、図３の下段に示すように、単一のピークを有する窓関数ｗｓ（ｔ）を、サーチした時間範囲に存在するピークｐ_s,iと一致させる。そして、その窓関数ｗｓ（ｔ）を第２検出信号ｓ２にかけて、第２検出信号ｓ２のピークｐ_s,iの時刻ｔ_s,iの近傍の第２検出信号ｓ２を切り取る。

例えば、第１取得部１９１が取得したピークｐ_r,iの時刻ｔ_r,iに基づいて、窓関数ｗｒ（ｔ）のピークを第２参照信号ｒ２のピークｐ_r,iに一致させることができる。また、第２取得部１９２が取得した第２検出信号ｓ２のピークｐ_s,iおよびピーク時刻ｔ_s,iに基づいて、窓関数ｗｓ（ｔ）のピークを第２検出信号ｓ２のピークｐ_s,iに一致させることができる。

このようにピークを有する窓関数ｗｒ（ｔ）、ｗｓ（ｔ）のピーク位置を第２参照信号ｒ２および第２検出信号ｓ２のピークと一致させて窓処理を行い、第２参照信号ｒ２および第２検出信号ｓ２の一部をそれぞれ切り取る。これにより、第２参照信号ｒ２も第２検出信号ｓ２もピークの時刻が窓関数ｗｒ（ｔ）、ｗｓ（ｔ）をかける前後でずれないことになる。そのため、時間差Δｔ_iを、窓関数ｗ（ｔ）をかける前の本来の時間差として出力することができる。したがって、物体１０４までの距離も正確に算出することができる。

時間差算出部１９３が第２参照信号ｒ２に用いる窓関数ｗｒ（ｔ）と第２検出信号ｓ２に用いる窓関数ｗｓ（ｔ）とは、同じ形状の窓関数であってもよい。窓関数ｗｒ（ｔ）、ｗｓ（ｔ）は、単一のピークを有し、そのピークを中心として左右対称になだらかに振幅が小さくなる形状を有する。窓関数ｗ（ｔ）の具体例として、ガウス窓、Ｈａｎｎｉｎｇ窓（ハン窓）、Ｈａｍｍｉｎｇ窓（ハミング窓）、Ｂｌａｃｋｍａｎ窓（ブラックマン窓）、一般化Ｈａｍｍｉｎｇ窓などが挙げられる。特に、Ｈａｎｎｉｎｇ窓やＢｌａｃｋｍａｎ窓などの窓関数は、窓関数をかけた後の信号の両端がゼロ、かつ、１次微分係数がゼロとなるので、そのような窓関数ｗｒ（ｔ）、ｗｓ（ｔ）をかけた信号の両端が不連続にならない窓関数を採用することで、信号の両端が不連続になることが原因で発生する高周波成分が生じなくなるので、特に有用であると考えられる。

距離算出部１９４は、第２参照信号ｒ２のピークｐ_r,iごとの時刻ｔ_r,iに対応する物体１０４までの距離Ｌ_iを算出する。具体的には、距離算出部１９４は、時間差算出部１９３が算出した時間差Δｔ_iに基づいて、物体１０４までの距離Ｌ_iを算出する。距離算出部１９４は、Ｌ_i＝ｃΔｔ_i／２を用いて時間と対応付けられた距離である時刻－距離データＬ_iを算出することができる。

時間－角度変換部１１０は、距離算出部１９４によって算出された時刻－距離データＬ_iを、第２角度信号θ２を用いて、偏向角に対応する距離データ（偏向角－距離データ）ａに変換する。

より詳細に説明すると、光偏向器１０３は、角度に対応する電圧の時間変動信号である第１角度信号θ１を出力する。前述したように、第１角度信号θ１は、ＡＤＣ１０７のチャネルＣＨ３に入力され、離散化されたディジタルの第２角度信号θ２に変換される。第２角度信号θ２の強度と光偏向器１０３から出力される光の偏向角度は対応している。そのため、同じ時刻に対して、第２角度信号θ２の強度と時刻－距離データＬ_iの距離を対応させることにより、偏向角－距離データａを求めることができる。

そのためには、例えば、第２角度信号θ２の強度と偏向角との対応表や、第２角度信号θ２と強度と偏向角との関係を示す関数（近似関数を含む）を予め時間－角度変換部１１０に保持しておく。そして、時間－角度変換部１１０は、予め記憶されている対応表や関数などを読み出して、第２角度信号θ２の強度と偏向角とを対応付ける。

このように、時刻－距離データＬ_iは、第２参照信号ｒ２のピーク時刻ｔ_r,iごとの距離データであるため、偏向角－距離データａも第２参照信号ｒ２のピーク時刻ｔ_r,iごとの偏向角と距離とを対応させたデータである。

補間部１１１は、時間－角度変換部１１０によって出力された偏向角－距離データａに対して、第２参照信号ｒ２のピークｐ_r,i間を補間した偏向角－距離データｂを出力する。補間部１１１は、第２参照信号ｒ２のピーク間に含まれる偏向角度（時刻）における偏向角と時刻－距離データＬとが対応付けられた偏向角－距離データａを補間により求める。補間部１１１は、第２参照信号ｒ２のピークとピークとの間に含まれる、より詳細な偏向角（時刻）に対する距離のデータを補間後の偏向角－距離データｂとして出力する。このように、補間部１１１を設けることにより、時間的（角度的）により密な距離を示すデータを求めることができる。

［信号処理装置のハードウェア構成］
次に、上述した機能を有する信号処理装置１０８のハードウェア構成の一例について図４を参照して説明する。

図４に示すように、信号処理装置１０８は、例えば、バス１８１を介して接続されるプロセッサ１８２、主記憶装置１８３、通信インターフェース１８４、補助記憶装置１８５、入出力装置１８６を備えるコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。信号処理装置１０８は、例えば、表示装置１８７がバス１８１を介して接続され、表示画面に補間後の偏向角－距離データｂなどを表示してもよい。また、ＡＤＣ１０７や測距装置１の光学系が、バス１８１や入出力装置１８６を介して接続されている。

主記憶装置１８３は、例えば、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ、およびＲＯＭなどの半導体メモリによって実現される。主記憶装置１８３には、プロセッサ１８２が各種制御や演算を行うためのプログラムが予め格納されている。プロセッサ１８２と主記憶装置１８３とによって、図１および図２に示した第１取得部１９１、第２取得部１９２、時間差算出部１９３、および距離算出部１９４を含む測距部１０９、時間－角度変換部１１０、および補間部１１１を含む信号処理装置１０８の各機能が実現される。また、プロセッサ１８２と主記憶装置１８３とによって、光学系やＡＤＣ１０７の設定や制御を行うことができる。

通信インターフェース１８４は、通信ネットワークＮＷを介して各種外部電子機器との通信を行うためのインターフェース回路である。信号処理装置１０８は、通信インターフェース１８４を介して、例えば外部に補間後の偏向角－距離データｂなどを送出してもよい。

通信インターフェース１８４としては、例えば、ＬＴＥ、３Ｇ、無線ＬＡＮ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの無線データ通信規格に対応したインターフェースおよびアンテナが用いられる。通信ネットワークＮＷは、例えば、ＷＡＮ（Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）やＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、インターネット、専用回線、無線基地局、プロバイダなどを含む。

補助記憶装置１８５は、読み書き可能な記憶媒体と、その記憶媒体に対してプログラムやデータなどの各種情報を読み書きするための駆動装置とで構成されている。補助記憶装置１８５には、記憶媒体としてハードディスクやフラッシュメモリなどの半導体メモリを使用することができる。

補助記憶装置１８５は、信号処理装置１０８が測距処理、変換処理、および補間処理を行うためのプログラムを格納するプログラム格納領域を有する。さらには、補助記憶装置１８５は、例えば、上述したデータやプログラムなどをバックアップするためのバックアップ領域などを有していてもよい。

補助記憶装置１８５は、時間－角度変換部１１０が変換処理に用いる対応表や変換曲線を記憶している。あるいは、主記憶装置１８３に時間－角度変換部１１０が変換処理に用いる対応表や変換曲線を記憶しておいてもよい。この場合、装置の起動時に補助記憶装置１８５から主記憶装置１８３にこれらの対応表や変換曲線を読み出しても良いし、主記憶装置の記憶アドレス空間にこれらの対応表や変換曲線を記憶したメモリをマップしても良い。

入出力装置１８６は、表示装置１８７など外部機器からの信号を入力したり、外部機器へ信号を出力したりするＩ／Ｏ端子により構成される。

なお、信号処理装置１０８は、１つのコンピュータによって実現される場合だけでなく、互いに通信ネットワークＮＷで接続された複数のコンピュータによって分散されていてもよい。また、プロセッサ１８２は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等のハードウェアによって実現されていてもよい。

［測距装置の動作］
次に、本実施の形態に係る測距装置１の動作について、図５および図６のフローチャートを参照して説明する。

まず、光源１００から、周期的に強度変調された光、例えば、正弦波で強度変調された光が出力される（ステップＳ１）。光源１００から出射された光は、カプラ１０１によって参照光路側と物体光路側とに分けられる。参照光路側の光は、ＰＤｒ１０５で受光され、光電変換されて第１参照信号ｒ１が出力される。一方、物体光路側の光は、サーキュレータ１０２を介して、光偏向器１０３によって偏向され、物体１０４およびその周辺の空間が光でスキャンされる（ステップＳ２）。

次に、光偏向器１０３によって偏向された光が空間内を１回スキャンするなかで、物体１０４に光が照射され、反射光が光偏向器１０３およびサーキュレータ１０２を介して、ＰＤｓ１０６で検出される（ステップＳ３）。また、光偏向器１０３が光を偏向する偏向角度を示す第１角度信号θ１は、ＡＤＣ１０７のチャネルＣＨ３に入力される。

その後、ＡＤＣ１０７は、チャネルＣＨ１、ＣＨ２、およびＣＨ３に入力されるアナログ信号をディジタル信号に変換する（ステップＳ４）。より詳細には、ＡＤＣ１０７のチャネルＣＨ１には、アナログの第１参照信号ｒ１が入力され、ディジタルの第２参照信号ｒ２に変換される。ＡＤＣ１０７のチャネルＣＨ２には、物体１０４からの反射光に基づくアナログの第１検出信号ｓ１が入力され、ディジタルの第２検出信号ｓ２に変換される。また、ＡＤＣ１０７のチャネルＣＨ３には第１角度信号θ１が入力され、ディジタルの第２角度信号θ２に変換される。

次に、信号処理装置１０８において、測距部１０９は、第２参照信号ｒ２および第２検出信号ｓ２の時間差に基づいて物体１０４までの距離を求める（ステップＳ５）。より詳細には、測距部１０９は、光偏向器１０３による偏向角に相当する時刻を中心にして、第２参照信号ｒ２および第２検出信号ｓ２の一部を、窓関数ｗｒ（ｔ）、ｗｓ（ｔ）をそれぞれ用いて切り取る。測距部１０９は、これら２つの信号の時間差を算出し、時間差から距離を求める。

ここで、測距部１０９による測距処理について、図６のフローチャートを参照して説明する。
まず、第１取得部１９１は、第２参照信号ｒ２に含まれる全てのピークを検出し、それらのピークに対応する時刻を取得する（ステップＳ５０）。第１取得部１９１は、検出した第２参照信号ｒ２に含まれる複数のピークｐ_r,iを互いに区別するための識別情報ｉ（ｉ＝０，１，・・・，Ｎ）を設定し、ｉを初期化（ｉ＝０）する（ステップＳ５１）。

次に、第１取得部１９１は、ｉをインクリメントする（ｉに１を足す）（ステップＳ５２）。その後、第２取得部１９２は、第２参照信号ｒ２のｉ番目のピークｐ_r,iの時刻ｔ_r,iを中心にして、±Ｔ_source／２の時間範囲に存在する第２検出信号ｓ２のピークｐ_s,iを取得する（ステップＳ５３）。

次に、時間差算出部１９３は、第２参照信号ｒ２のｉ番目のピークｐ_r,iにおけるピーク時刻ｔ_r,iと、検出された第２検出信号ｓ２のピークｐ_s,iの時刻ｔ_s,iとの時間差Δｔ_iを（＝ｔ_s,i－ｔ_r,i）を算出する（ステップＳ５４）。

より詳細には、時間差算出部１９３は、上述した式（１）の相互相関関数Ｒ（ｔ）を計算して、Ｒ（ｔ）が最大値となる時間を時間差Δｔ_iとする。また、時間差算出部１９３は、第２参照信号ｒ２および第２検出信号ｓ２それぞれのピーク時刻ｔ_r,i、ｔ_s,iの近傍の信号を切り取る際には、Ｈａｎｎｉｎｇ窓やＢｌａｃｋｍａｎ窓などの窓関数ｗｒ（ｔ）、ｗｓ（ｔ）をそれぞれ用いることができる。

時間差算出部１９３は、ピーク時刻ｔ_r,iに基づいて、第２参照信号ｒ２のピークｐ_r,iと一致するピークを有するように設計された窓関数ｗｒ（ｔ）を用いることができる。また、時間差算出部１９３は、ピーク時刻ｔ_s,iに基づいて、第２検出信号ｓ２のピークｐ_s,iと一致するピークを有するように設計された窓関数ｗｓ（ｔ）を用いることができる。

その後、距離算出部１９４は、ステップＳ５４で算出された時間差Δｔ_iから物体１０４までの距離Ｌ_iを算出する（ステップＳ５５）。より詳細には、時間差Δｔ_iに光速ｃをかけ、さらに２で割って第２参照信号ｒ２のｉ番目のピークｐ_r,iの時刻ｔ_r,iにおける時刻－距離データＬ_iを算出する。

次に、距離算出部１９４は、第２参照信号ｒ２に含まれる全てのピークｐ_r,iの時刻ｔ_r,iにおける物体１０４までの距離を算出するまで（ステップＳ５６：ＮＯ）、測距部１０９は、ステップＳ５２からステップＳ５５を繰り返す。一方、距離算出部１９４が第２参照信号ｒ２に含まれる全てのピークｐ_r,iの時刻ｔ_r,iについての物体１０４までの距離を算出した（ｉ＝Ｎ）場合には（ステップＳ５６：ＹＥＳ）、処理は、図５のステップＳ６に移行する。

その後、図５に示すように、時間－角度変換部１１０は、時刻－距離データＬ_iを、光偏向器１０３の偏向角を示す第２角度信号θ２を用いて偏向角－距離データａに変換する（ステップＳ６）。より詳細には、時間－角度変換部１１０は、予め補助記憶装置１８５や主記憶装置１８３の所定の領域に記憶されている第２角度信号θ２の強度と偏向角との対応表を用いることができる。あるいは、時間－角度変換部１１０は、補助記憶装置１８５や主記憶装置１８３に記憶されている第２角度信号θ２、強度、および偏向角の関係を示す関数を読み出して、時間情報を偏向角に変換した偏向角－距離データａを出力することができる。

次に、補間部１１１は、第２参照信号ｒ２のピーク時刻ｔ_r,iごとの時刻－距離データＬ_iに対応する偏向角－距離データａについて、第２参照信号ｒ２のピーク間のデータを補間する（ステップＳ７）。その後、補間された偏向角－距離データｂは、出力される（ステップＳ８）。例えば、表示装置１８７に補間された偏向角－距離データｂを表示させたり、通信ネットワークＮＷを介して外部の端末装置に補間された偏向角－距離データｂを送信することができる。

以上説明したように、本実施の形態に係る測距装置１によれば、第２参照信号ｒ２のピークと一致するピークを有する窓関数、および第２検出信号ｓ２のピークと一致するピークを有する窓関数をそれぞれ用いて２つの信号の一部を切り取り、これら２つの信号の相互相関を用いて物体１０４までの距離を算出する。そのため、窓関数を２つの信号にかける場合であっても、２つの信号の時間差を正確に算出することができ、結果として物体までの距離を高精度に測定することができる。

また、本実施の形態に係る測距装置１は、参照信号のピーク間の距離データを補間するので、物体までの距離をより高精度に測定することができる。

以上、本発明の測距装置および測距方法における実施の形態について説明したが、本発明は説明した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に記載した発明の範囲において当業者が想定し得る各種の変形を行うことが可能である。

例えば、説明した実施の形態では、信号処理装置１０８において、時間－角度変換部１１０が時刻－距離データＬ_iを偏向角－距離データａに変換した後に、補間部１１１が補間処理を行う具体例を説明した。しかし、補間処理は時間－角度変換部１１０による変換処理の前に実行してもよい。この場合、補間部１１１は、時刻－距離データＬ_iに基づいて第２参照信号ｒ２のピーク間の補間を行い、その後、時間－角度変換部１１０が、時刻を偏向角に変換することになる。

補間処理を時間－角度変換処理の前に行う場合は、時間－角度変換部１１０で必要となる時刻情報は、測距部１０９で取得した第２参照信号ｒ２のピーク時刻をそのまま使用できない。なぜなら、測距部１０９で得られた距離の数（第１取得部１９１で得られたピークの時刻の数と等しい）は補間部１１１から出力される距離の数と異なるからである。そこで、補間部１１１において、測距部１０９で取得した第２参照信号ｒ２のピーク時刻を用いて、補間で得た距離情報に対応する時刻を算出し、その時刻を用いて時間－角度変換部１１０にて時刻を角度に変換する。

なお、補間部１１１が補間した第２参照信号ｒ２のピーク間の時間間隔と、第２角度信号θ２の時間間隔が一致しないことにより、補間後の時刻－距離データの各データの時刻と、第２角度信号θ２の各データの時刻とが一致しない場合は、第２角度信号θ２を補完する。これにより、補間後の時刻－距離データの時刻に一致する角度の時刻における第２角度信号θ２を得ることによって、補間後の時刻－距離データの各時刻の偏向角を得ることができる。

これまで説明した実施の形態では、光源１００から出力される光は、正弦波など周期的に強度変調された光であり、波長掃引された光ではない場合について説明した。しかし、光源１００は、周期的な強度変調機能を備えた波長掃引光源であってもよい。この場合、光偏向器１０３には、透過型や反射型の回折格子や屈折率分散の大きい材料からなるプリズムなどの受動光学素子が用いられる。また、光源１００は、周期的な強度変調機能を備えた波長掃引光源であっても、公知の空間光変調器を光偏向器１０３に用いてもよい。

この場合、回折格子の格子定数などは、光源１００の光の波長や、測定が要求される最大距離、および測距装置１の大きさなどに応じて、所望の角度の範囲で偏向するように設計することができる。また、プリズムの屈折率やその波長分散についても、同様に所望の角度で偏向するように、屈折率やその波長分散を持つ材料を選ぶことができる。また、光源１００として周期的な強度変調機能を備えた波長掃引光源を用いる場合、第１角度信号θ１は、光源１００から出力される光の波長に連動する構成となる。

光源１００を周期的な強度変調機能を備えた波長掃引光源として、光偏向器１０３を回折格子やプリズム等の受動光学素子とする利点は、光偏向器１０３に機械動作を必要とする部品が必要なくなることである。このことから、たとえば、測距装置１が備える光学系を光偏向器１０３とそれ以外に分離して、偏向器をプローブ、それ以外を本体として、プローブと本体を光ファイバで接続した場合、プローブを小型化できるので、狭い場所等に設置したり、あるいは、人が簡単にプローブ部を持ち運ぶなどして、測定ができる。また、プローブには機械動作をする部品がないため、プローブの振動に対する耐性が高くなるので、本体とプローブを離して、本体を振動の緩慢な場所に退避することにより、振動の激しい環境においても正確に測定ができる。

１…測距装置、１００…光源、１０１…カプラ、１０２…サーキュレータ、１０３…光偏向器、１０４…物体、１０５…フォトディテクタＰＤｒ、１０６…フォトディテクタＰＤｓ、１０７…ＡＤＣ、１０８…信号処理装置、１０９…測距部、１１０…時間－角度変換部、１１１…補間部、１８１…バス、１８２…プロセッサ、１８３…主記憶装置、１８４…通信インターフェース、１８５…補助記憶装置、１８６…入出力装置、１８７…表示装置、１９１…第１取得部、１９２…第２取得部、１９３…時間差算出部、１９４…距離算出部。

Claims (8)

1. 光源から出力された周期的に強度変調された光を光電変換して得られる第１信号に含まれるピークである第１ピークを検出し、前記第１ピークごとの時刻を取得する第１取得部と、
   前記光源から出力された前記光が測定対象の物体で反射した反射光を光電変換して得られる第２信号から、前記第１ピークの前記時刻を中心とした前記光源の光の強度変調の１周期の時間範囲に存在するピークである第２ピークを取得する第２取得部と、
   ピークを有する第１窓関数の前記ピークを前記第１ピークと一致させた状態で、前記第１窓関数で前記第１信号を処理して得られる第３信号と、ピークを有する第２窓関数の前記ピークを前記第２ピークと一致させた状態で、第２窓関数で前記第２信号を処理して得られる第４信号との相互相関に基づいて、前記物体までの距離を算出する距離算出部と
   を備える測距装置。
2. 請求項１に記載の測距装置において、
   前記光源の光を２つに分岐する光スプリッタと、
   前記光スプリッタの一方から出力された前記光を検出する第１フォトディテクタと、
   前記光スプリッタの他方から出力された前記光を偏向して前記物体に向けて出射する光偏向器と、
   前記光偏向器から出射された出射光が前記物体で反射した反射光を検出する第２フォトディテクタと
   を有する光学系をさらに備え、
   前記第１フォトディテクタは、検出した前記光を光電変換した前記第１信号を出力し、
   前記第２フォトディテクタは、検出した前記反射光を光電変換した前記第２信号を出力する
   ことを特徴とする測距装置。
3. 請求項２に記載の測距装置において、
   前記距離算出部によって算出された前記第１ピークの前記時刻に対応する時間情報を、前記光偏向器による偏向角度の情報に変換し、偏向角度と距離とが対応付けられた偏向角－距離信号を出力する時間－角度変換部をさらに備える
   ことを特徴とする測距装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の測距装置において、
   前記距離算出部が算出した前記第１信号の前記第１ピークごとの前記時刻に対応する前記物体までの距離を補間する補間部をさらに備える
   ことを特徴とする測距装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の測距装置において、
   前記距離算出部は、前記相互相関を用いて前記第１ピークの前記時刻での前記第１信号に対する前記第２信号の時間の遅れを示す時間差を算出する時間差算出部を備え、
   前記距離算出部は、算出された前記時間差に基づいて、前記第１信号の前記第１ピークごとの前記時刻に対応する前記物体までの距離を算出する
   ことを特徴とする測距装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の測距装置において、
   前記第１窓関数および前記第２窓関数は同一の形状であることを特徴とする測距装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の測距装置において、
   前記第１窓関数および前記第２窓関数は、ガウス窓、ハン窓、ハミング窓、ブラックマン窓、および一般化ハミング窓のいずれかであることを特徴とする測距装置。
8. 光源から出力された周期的に強度変調された光を光電変換して得られる第１信号に含まれるピークである第１ピークを検出し、前記第１ピークごとの時刻を取得する第１ステップと、
   前記光源から出力された前記光が測定対象の物体で反射した反射光を光電変換して得られる第２信号から、前記第１ピークの前記時刻を中心とした前記光源の光の強度変調の１周期の時間範囲に存在するピークである第２ピークを取得する第２ステップと、
   ピークを有する第１窓関数の前記ピークを前記第１ピークと一致させた状態で、前記第１窓関数で前記第１信号を処理して得られる第３信号と、ピークを有する第２窓関数の前記ピークを前記第２ピークと一致させた状態で、第２窓関数で前記第２信号を処理して得られる第４信号との相互相関に基づいて、前記物体までの距離を算出する第３ステップと
   を備える測距方法。

Images